10kV母线内部结构设计论文

1、静电场数值计算

静电场数值计算方法主要有有限差分法、有限元法和模拟电荷法。这三种方法在处理简单模型时的效果相差不多，但当模型较为复杂时，有限差分法已基本不适用。模拟电荷法与有限元法在实际使用中各有利弊，模拟电荷法有准确度高、三维模型计算中占用计算机内存少等优点，但其适用范围比较小，对于介质种类多、具有较多过小曲率半径的边界的系统等，用模拟电荷法来计算就比较麻烦，甚至不可能。有限元法虽然在电场强度计算上与实际值有一定偏差，但可以通过细化网格达到减小误差目的。本文研究的10kV母线内部电场分布，存在3种以上的介质、结构复杂，故选用有限元法。

2、10kV母线静电场仿真计算

2.1母线内部结构

基于已有的10kV母线端部结构图，并对其做出初步的改进。由于铝金属薄膜的截面是一个矩形，有四个直角，在电场中容易造成尖端效应，使电场产生畸变分布不均匀。因此，对铝金属薄膜的截面进行倒角操作，减少尖端效应。画出母线端部结构及尺寸二维视图如图1所示。为了能够更好地展示母线内部结构，利用ANSYS生成母线端部结构的三维视图。母线由绝缘护套层、接地铜带、主绝缘层、铜导体、铝金属薄膜构成，是一个轴对称模型，可采用PLANE121这一单元进行建模，PLANE121是一个二维八节点静电单元，适用于轴对称模型，适用于静电场计算。

2.2母线材料

铜导线电阻率小，传导过程中发热少，电能损耗低，不易生锈，质软而且可以制成多股软线，大大提高了屈折次数。铝金属薄膜重量较轻。

2.3母线电气性能要求

母线采用铜导体，其电流密度大，电阻小，集肤效应不明显，无须降容使用。电压降小也就意味着能量损耗小，最终节约用户的投资。工频耐压及雷电冲击耐压数值，符合国家标准。其负载性能要求如下，在额定电流下，外壳的温升符合GB/T11022–1999《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》标准要求。其短路性能要求如下，动热稳定试验符合GB2706–89《交流高压电器动热稳定试验方法》标准要求。

2.4母线模型及其仿真

本文将通过ANSYS软件建立二维电场的模型，来研究母线的电位和电场分布。ANSYS分析电磁场问题时，需要从以下3个方面进行考虑。第一由于此处只考虑单项母线，单根母线属于轴对称结构，因此使用二维模型即可反应母线电位和电场分布，从而得到符合实际的数据。第二目前电气设备电极间电压随时间的变化是比较缓慢的，所以母线在任一瞬间的电场都可以近似地认为是稳定的，可以按静电场来分析。第三采用基于节点法的传统的有限元法，其直观性较好。

2.5母线电场计算结果及分析

做完母线模型的仿真之后，利用ANSYS软件进行计算，提取电场强度及电位图，结合材料的击穿场强分析其是否满足要求，并作出优化，尽量减少尖端效应，使电场分布的更加均匀。母线端部采用的多层铝金属膜逐渐降低电位，此处也是电场分布最不均匀的地方。在三层铝金属薄膜端部，其电场畸变较为强烈，但在靠近接地层的端部电场畸变最为剧烈，此处的绝缘中电场最为集中，即此处的绝缘最易发生击穿损坏。而且可以看出，电场的不均匀也会延伸到母线的外皮处，当外皮出现污秽及水滴时，在外皮也会出现电场集中，从而导致表面放电的发生。为了进一步探讨屏蔽层对母线电位的影响，在母线端部无铝金属薄膜处、铝金属薄膜处和接地铜带处沿径向取了三条路径。由曲线走势可知，母线端部无接地层、金属薄膜处电位较高，金属薄膜处电位较低，接地层处电位最低，起点都是5774V。母线端部无铝金属薄膜、接地层处的电位变化平缓，铝金属薄膜处电位在第三层后基本无变化。由此可知，铝金属薄膜、接地层都起到了降低母线内部电位的作用，使母线内部电位变化均匀。由分析可知静电场中某点电场强度等于该点电位梯度的负值，母线内部电位降低，电场强度也相应降低，从而减少母线击穿的可能性。

3、10kV母线内部结构优化

母线端部易绝缘老化，容易发生击穿，缩短使用寿命，造成母线故障、发电厂和变电站停电，甚至对电力系统的安全运行带来严重危害。利用基于有限元法ANSYS软件研究母线的电压和电场分布，了解母线端部绝缘老化及击穿的原因并就此提出优化方案。影响母线绝缘的因素有很多，本文着重对绝缘护套层中的铝金属薄膜部分设计优化方案。由于母线绝缘护套端部电场比较集中，在其中加入多层铝金属薄膜可以强迫控制其内部和表面的电场均匀化。本次设计采用了不同层数铝金属薄膜、不同布置形式的铝金属薄膜、直角和倒圆角之后的铝金属薄膜三种不同的方案，计算母线内部电场分布并分析比较，确定最优方案。

3.1直角和圆角截面时母线电场的计算分析

本次设计将分别对母线以直角截面和圆角截面的铝金属薄膜方式进行建模，其他几何参数、载荷参数不变。铝金属薄膜的截面为圆角，截面为直角母线与之相比有较为明显的尖端效应，可能会导致护套层击穿，威胁到母线正常运行，故选择截面为圆角的铝金属薄膜较为合理。

3.2不同层数铝金属薄膜下母线电场的计算分析

本次设计分别采用2层、3层、4层铝金属薄膜对母线进行建模，其他几何参数和荷载参数不变。当采用三层铝金属薄膜时，母线绝缘护套层的最大场强值最小，为359.463kV/m。虽然采用四层铝金属薄膜时母线绝缘护套的电场分布比3层的稍微均匀些，但是不明显，而且绝缘化套层采用的是硅橡胶材料，其击穿场强为25000kV/m，比最大场强高2个数量级，在正常情况下是不会发生击穿的，处于经济性的考虑，采用三层铝金属薄膜最佳。

3.3两端对齐、阶梯式布置时母线电场的计算分析

本次设计采用两端对齐布置的铝金属薄膜对母线进行建模，计算母线电场分布，将其与铝金属薄膜阶梯式布置时母线电场分布进行对比。其他几何参数、载荷参数不变。得到的绝缘护套层端部电场强度为499.552kV/m，比阶梯式布置方案下的最大电场强度大100kV/m，而且两端对齐布置的铝金属薄膜端部的电场较为集中，不如阶梯式布置的均匀。阶梯式布置的铝金属薄膜，第一、二层铝金属薄膜的端部分别处在第二、三层铝金属薄膜的中间位置处，使得电场不那么集中，过度平滑且分布更加均匀。故母线中铝金属薄膜的阶梯式布置更为合理有效。

4、结束语

本文主要完成10kV母线内部结构优化。通过高压静电场的数值计算方法，掌握有限元法的原理及其存在的问题。利用ANSYS软件在静电场中的应用，改变铝金属薄膜层数、形状、布置形式进行对母线进行建模，计算并分析相应的电场分布结果。通过对三种方案的计算结果进行对比分析，得出母线中的铝金属薄膜采用圆角截面、三层阶梯式布置是最佳的可行的优化设计。

作者:陈道龙朱永飞杨璐张宇娇单位:国网安徽繁昌县供电公司